Sumário
1.1.3 Trabalhos Acadêmicos
Muitos estudos realizados buscam desenvolver áreas do conhecimento abordadas nesta dissertação Sarris & ATLAS [2001]; Puri [2005]; Diamond & Ceruti [2007]; Rangel et al. [2009]. Nessas áreas, estão incluídos o desenvolvimento de novas aeronaves, processadores, algoritmos de controle de voo, algoritmos de roteamento, intensificação da vazão de informações na rede e muitos outros tópicos. Uma opção interessante para melhorar a capacidade de transmissão de informações em vários aspectos de uma rede aérea é aprimorar a comunicação entre seus nós. Com essas informações, vários objetivos podem ser atingidos como maior vazão de dados entre os nós e redução de utilização do processador, o que seria de grande importância, já que em cenários com uma quantidade limitada de energia e de poder de processamento, que é a realidade dos nós destas redes, qualquer melhoria na performance é bem-vinda.
Assim como em uma rede de sensores sem fio tradicional, redes aéreas também são extremamente dependentes da capacidade de armazenamento de energia da bateria de seus nós. Como nós sensores geralmente se encontram em lugares de difícil acesso, a vida útil de uma rede de sensores depende do tempo de vida útil da bateria dos nós. A quantidade de energia disponível para um nó é um recurso escasso também devido à limitação de tamanho da bateria. Por este motivo, a falha de um dos nós da rede é
1.1. Motivação 13
um evento comum devido ao esgotamento de energia. É possível estender o tempo de vida útil de um sensor ao coletar energia do ambiente (Rabaey et al. [2000]), utilizando painéis solares. Os gastos energéticos de um nó sensor com a comunicação de dados são muito maiores do que os gastos com o processamento de dados (Pottie & Kaiser [2000]). Por isto, o processamento de dados realizados pelo sensor é muito importante para minimizar o consumo de energia em uma rede de sensores. Melhorar a eficiência no envio dos dados é outra maneira de reduzir o consumo de energia de cada nó. 1.1.3.1 Tamanho ótimo do pacote
Ambientes dinâmicos e redes congestionadas, onde os VANTs podem operar, são cená- rios onde pode ser grande a probabilidade de que ocorra um erro na transmissão de um pacote de informação. A fim de aumentar a taxa de recepção de pacotes neste tipo de ambiente, o tamanho máximo do pacote pode ser reduzido, já que, quanto menor for o tamanho do pacote, maiores serão as chances de que ele seja recebido corretamente. No entanto, como cada pacote tem um tamanho fixo do cabeçalho com informações necessárias para o funcionamento da rede, pacotes cada vez menores aumentam a so- brecarga da rede, pois ela tem de lidar proporcionalmente, cada vez, com mais dados apenas para fazê-la funcionar e menos dados que contenham as informações desejadas. Por outro lado, se o tamanho do pacote de rede aumenta, maiores são as chances de que ele seja corrompido. Portanto, existe um compromisso entre reduzir a sobrecarga da rede, aumentando o tamanho do pacote e mantendo reduzida a taxa de perda de pacotes, diminuindo o seu tamanho (Korhonen & Wang [2005]).
É interessante que se disponha de um método para avaliar a eficiência de utilização do canal da rede e para definir o tamanho ideal de pacote de modo a otimizar esta eficiência. Redes aéreas de baixo custo , em geral, utilizam rádios que implementam o padrão para redes IEEE 802.15.4. Uma vez que a topologia de redes aéreas pode ser muito instável, já que os seus nós possuem mobilidade, é necessário que este método analise como o valor do tamanho de pacote ótimo se comporta, na medida em que a distância entre os nós se altera.
1.1.3.2 Coleta de dados
Como as perdas ao longo do caminho de transmissões de ondas de rádio variam, com a distância, em proporção maior que a linear (Gao et al. [2006]), a energia gasta pode ser reduzida se for diminuído o alcance do rádio, desde que existam nós suficientes da rede para transmitir os dados de um ponto a outro. Caso a rede de sensores esteja instalada em um ambiente inóspito ou isolado, não é possível realizar esta transmissão nó a nó até
14 Capítulo 1. Introdução
uma determinada base de operações. Uma das alternativas, neste caso, é instalar um nó sensor com um rádio, com capacidade de comunicação à longa distância. Entretanto, isto implica em maior consumo de energia de um dos nós da rede de sensores e isso diminuiria o seu tempo de vida útil. Outra alternativa para resolver este problema é utilizar nós com mobilidade para a coleta de dados de redes de sensores. O uso da mobilidade pode reduzir significativamente o consumo de energia dos sensores móveis e , portanto, aumentar o tempo de vida útil de uma rede de sensores (Sugihara & Gupta [2010]).
1.2
Organização e Contribuições
No capítulo 2, são descritos e analisados criticamente vários trabalhos relacionados ao tema desta dissertação.
No capítulo 3, são descritos os métodos e materiais deste trabalho.
No capítulo 4, faz-se uma adaptação para redes aéreas do modelo de estudo da eficiência de utilização do canal de comunicação desenvolvido por Pompili et al. [2006] para redes subaquáticas. Este método adaptado foi utilizado para encontrar o tamanho ideal de pacote para redes aéreas com distância variável, que utilizam rádios de baixa potência com o padrão IEEE 802.15.4. Os resultados obtidos com esse método são comparados com resultados obtidos com um simulador e experimentalmente. Para realizar os experimentos, foram utilizados rádios do tipo Xbee 802.15.4. Assim, tanto o modelo analítico quanto o modelo do simulador são baseados nas especificações reais desse tipo de rádio. A alteração máxima do tamanho do pacote é feita ajustando-se o tamanho máximo do corpo de dados, sem alterar o tamanho do cabeçalho do pacote.
No capítulo 5, é descrito o processo de desenvolvimento de nós de coleta de dados reais para uma rede de sensores sem fio e a interação destes com um nó móvel acoplado a um VANT. Para a criação destes nós sensores, foi desenvolvida uma biblioteca que realiza uma interface entre os rádios de baixa potência utilizados no experimento (Xbee 802.15.4) e microcontrolador MSP430 utilizado como nó sensor. Com esta rede criada, diferentes métodos de coleta de dados feitos por um VANT em uma rede de sensores sem fio foram experimentados. Os métodos são descritos e comparados entre si.